Les technologies de piles à combustible

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1 Les technologies de piles à combustible Approche intégrée des PAC : des nanomatériaux aux systèmes Laurent ANTONI laurent.antoni@cea.fr 1

2 Sommaire 1. Les technologies de piles à combustible 2. Approche intégrée des PAC : des nanomatériaux aux systèmes Dimensionnement Développement et caractérisation des composants Réalisation et test des systèmes Normalisation et sécurité 3. Conclusions 2

3 Les technologies de piles à combustible Not utilized H 2, (CO) and reaction gas Ion conducting ceramics SOFC 800 C H 2, CO H 2 O, CO 2 O 2- O 2 Not utilized O 2, N 2 and reaction gas Molten alkali carbonate Phosphoric acid MCFC 650 C PAFC 200 C H 2, CO O 2 CO 2-3 H 2 O, CO 2 CO 2 H 2 O 2 H + H 2 O preferred continuous load Ion conducting Polymer DMFC 80 C-110 C PEFC 20 C-90 C CH 3 OH O H + 2 CO 2 H 2 O H 2 O 2 H + H 2 O Dynamic load Caustic potash AFC 20 C-90 C H 2 H 2 O OH - O 2 Fuel O 2, air Anode Electrolyte Cathode 3

4 Les technologies de piles à combustible Répartition des unités produites en 2010 PEMFC PEMFC 4

5 des nanomatériaux aux systèmes 5

6 PEMFC : des nanomatériaux aux systèmes Composants Electrodes Assemblages Membrane-Electrodes Systèmes Plaques bipolaires Auxiliaires Electronique de puissance Capteurs Actionneurs Commande Contrôle Assemblage pile (stack) 6

7 Démarche d un développement système 1 Dimensionnement/ Conception Spécification Simulation système, optimisation des architectures Conception pile 4 Codes& Standards ISO TC 197 IEC TC 105 Certification Sécurité 2 Développement/ Caractérisation Composants performance durée de vie industrialisation 3 Réalisation/ Test Système Robustesse Hybridation Compacité Fonctionnement «réel» 7

8 1. Dimensionnement/Conception Spécification Auxiliaires Pile Modèle applicable à tous les systèmes 8

9 1. Dimensionnement/Conception AME 1200 Cell voltage Specific power Working point mv mw/cm² Current Density (ma/cm²) Modèle applicable à tous les piles 9

10 PEMFC : des nanomatériaux aux systèmes Composants Electrodes Assemblages Membrane-Electrodes Plaques bipolaires Systèmes Electronique de puissance Capteurs Actionneurs Commande Contrôle Assemblage pile (stack) 10

11 2. Développement/Caractérisation Composants Performance et durabilité Tension/ cellule (V) 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 Fabrication AME AME002 AME003 AME004 AME006 AME Densité de courant (ma/cm2) Membranes Couche active ionomère Instrumentation Performances Métaux Nobles Durabilité Coûts Catalyseurs Nano-caractérisation Modélisation MEMEPhys Couche de Diffusion Management de l eau 11

12 2. Développement/Caractérisation Composants Formulation encres, caractérisations électrochimiques Fabrication électrodes, assemblage cœurs de piles, intégration piles Essais performances et durabilité, nouveaux composants, avec polluants 12

13 2. Développement/Caractérisation Composants Diminution de la quantité de platine ,32 g Pt /kw Tension (mv) Tension de cellule Tension à i(min) Tension à i(max) Perte de performances irréversibles <10% après 1700 h Temps (h) 1500 heures de fonctionnement pour un AME faiblement chargé en platine (0,25 gpt/kw), dans les conditions représentatives de l application transport [chargements typiques 0,5 0,8 gpt/kw] 13

14 2. Développement/Caractérisation Composants Toute une gamme d AME Différentes applications, différentes conditions de fonctionnement Point fort : adaptation des AME aux cahiers des charges 14

15 2. Développement/Caractérisation Composants Design «F» 300 kw Metallic stack Design «G» 80 kw Metallic stack Un panel de piles Design «F» 14 kw Metallic stack RobotPAC 150 W Graphite stack Marathon Shell 200 W Graphite stack Design «D» 500 W Metallic stack EPICEA 3 kw Composite stack Design «G» 20 kw Metallic stack 15

16 2. Développement/Caractérisation Composants Des moyens d assemblage des piles Métrologie des composants Presse d assemblage Banc de test d étanchéité depuis 2005 > 900 kw and >220 piles assemblées > h de test de piles 16

17 3. Réalisation / Test de Systèmes Transport Specifique Aéronautique Systèmes CEA 5 kw elec PROSPAC EPICEA Stationnaire avec/sans reformage Plaisance, maritime Couplage aux EnR pour site isolé ou réinjection réseau 17

18 3. Réalisation / Test de Systèmes Voilier Zéro CO 2 Batterie Système PEM CEA design (25 kw) 2 piles CEA 3 circuits de refroidissement (pile, électronique, ballons d eau) CEA design LiFePO 4 40 Ah et 400 V 14.8 kwh Motor 23 kw (1800 r/min 110 N.m) 835 sensors 550 safety thresholds Monitoring Hydrogen storage 3 réservoirs 150 L, Type III 35 MPa masse H2 : 10.5 kg 350 kwh (PCI) 18

19 3. Réalisation / Test de Systèmes Voilier Zéro CO November 10 July-September 10 June 10 April 10 December 09 September 09 19

20 Conclusions Approche intégrée des PAC : Intégration de ruptures technologiques par les nanomatériaux et/ou par l intégration système Développement de composants sur mesure pour les applications visées Validation rapide des innovations matériaux et architectures dans des systèmes plug and play Transfert technologique accéléré Détermination des axes de R&D pertinents 20

21 21

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